某型車輛防抱死控制系統設計與分析

姚東強+譚永營+吳文文

摘 要：針對某型車輛常規制動時制動力不足，高速制動時穩定性差的問題，設計了一套PID防抱死控制系統。基于汽車單輪模型，對比分析了裝有防抱死系統前后車輪的滑移率和制動距離，結果表明該PID防抱死控制系統能夠較好地改善汽車的制動效能。為進一步驗證該控制系統的有效性，建立了汽車雙輪模型，模擬了車輛直線制動工況，結果表明該控制系統能夠同時保證兩車輪都具有理想的滑移率，可使車輛具有較大的制動力和良好的制動穩定性，對于該車防抱死系統的設計具有一定的參考價值。

關鍵詞：PID控制；防抱死系統；滑移率；單輪模型；雙輪模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.018

0 引言

汽車防抱死系統（ABS）是一種主動安全裝置。可防止車輛在制動過程中車輪抱死，避免車輛后輪側滑和前輪喪失轉向能力，提高汽車的方向穩定性和轉向操縱能力，縮短制動距離。防抱死系統就是汽車在制動過程中自動控制制動器制動力的大小，使車輪不被抱死，從而實現滑移率始終位于最佳滑移率附近，以保證車輪和地面的附著力在最大值，進而確保車輛具有較好的方向穩定性和制動效能。

夏利A+轎車在濕滑路面制動時，經常出現剎車較軟，剎不住車的情況；在高速轉向制動時，時常伴隨有后輪側滑和前輪轉向困難的情況。以上情況出現的主要原因是制動力矩過大以致于超過了地面的可利用附著力， 針對夏利A+轎車存在的制動問題，設計一套基于PID的防抱死控制系統，以提高車輛的制動性能和行駛安全性。

1 汽車防抱死系統單輪模型

汽車防抱死制動系統的數學模型由車輛動力學模型、輪胎模型、制動系統模型和控制系統模型四個部分組成。

1.1 車輛動力學模型

為了描述車輛制動性能和直線制動工況，分別建立了單輪制動模型和雙輪制動模型，建模過程中忽略空氣阻力和輪胎滾動阻力。

1.2 輪胎模型

輪胎模型可分為理論模型和經驗模型。理論模型是對輪胎結構和變形機理的數學描述，建立剪切力和回正力矩與相應參數的函數關系。經驗模型是通過大量的輪胎力特性試驗數據進行回歸分析，將輪胎力特性參數進行擬合后得到的輪胎受力表達式。在進行防抱死系統性能分析時可用簡化的雙線性模型來表示輪胎受力。

1.3 制動系統模型

2 夏利A+轎車防抱死系統制動過程仿真

2.1 模型建立

假設車輪具有的初速度，基于車輪的滑移率信號和理想滑移率信號的差值，可得到車輪的制動力矩。通過simulink建立單輪模型和雙輪模型，如圖2-1所示。

2.2 夏利A+轎車防抱死系統仿真分析

2.2.1 制動力矩對比仿真

根據設定的車輛初始速度25m/s，車輪直線制動，直到速度減為零。基于建立的單輪模型，當車輪未裝有ABS時候，選擇一個斜坡函數模擬踩剎車時制動力矩的增加過程，斜坡函數斜率的合理選擇直接關系到駕駛員制動過程踩剎車快慢的模擬。斜率過大，表明駕駛員剎車越急，車輛越危險，車輪越容易抱死；斜率選擇過小，車輪制動時間過長，車輛難以實現短距離制動的目的。本處在進行斜坡函數的選擇時，通過了多次仿真對比，選擇了制動時間最短，且車輪未抱死的理想斜坡函數，如圖2-2所示。車輪防抱死系統PID控制參數經過反復調試后，車輪滑移率始終處于最佳，此時車輪制動力矩如圖2-3所示。

通過圖2-2和2-3對比可知，安裝ABS后車輪制動力較快升高，之后迅速回到穩定值，然后保持不變，直到制動結束。該過程是通過控制系統對比車輪實際滑移率與理想滑移率之間的差值進行實時調節而實現的。對于未安裝ABS的車輪需要駕駛員非常好的操縱技巧和駕駛經驗才能保證使車輪制動力達到理想情況。

2.2.2 制動性能對比仿真

設定車輪初速度為25m/s，車輪常規制動力矩輸入為圖2-3， 進行直線制動仿真。車輪直線制動仿真結果顯示安裝ABS前后車輪的制動距離分別為39.03m和33.75m，但安裝ABS前車輛需要進行非常良好的操縱才能達到39.03m的制動距離。安裝ABS前后車輪的滑移率如圖2-4和圖2-5所示。

由圖2-4和圖2-5對比可知：安裝ABS后，車輪滑移率經過約0.3s后始終保持為理想值0.2，由汽車理論可知此時不僅車輪具有較好的縱向利用附著系數，而且車輪的側向利用附著系數也很大，車輛的穩定性很好。因此，設計的PID控制系統能夠使車輪始終保持在最佳的滑移率附近，效果較好。

3 結論

針對夏利A+轎車常規制動時制動力不足，高速制動時穩定性不好的問題，本文設計了一套車輛防抱死控制系統。基于單輪模型分析了該防抱死控制系統的制動效能，結果顯示該系統能夠較好地控制車輪滑移率，能夠使得車輪始終保持在較為理想的滑移率附近，制動效果較好。基于雙輪模型，模擬了車輪直線制動工況，結果顯示該系統能夠保證雙輪同時處于較好的附著狀態，車輛制動效能好，對于解決該夏利A+轎車抱死問題具有一定的參考價值。

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作者簡介：姚東強（1992-），男，河南信陽人，在讀碩士研究生，研究方向：車輛總體技術。endprint